設計模式-單例模式詳解_ZenDei技術網路在線

一、引言單例模式應該算是23種設計模式中比較簡單的，它屬於創建型的設計模式，關註對象的創建。二、概念單例模式是23個“Gang Of Four”的設計模式之一，它描述瞭如何解決重覆出現的設計問題，以設計靈活且可復用的面向對象軟體，使對象的實現、更改、測試和重用更方便。單例模式解決了以下問題： ...

一、引言

　　單例模式應該算是23種設計模式中比較簡單的，它屬於創建型的設計模式，關註對象的創建。

二、概念

　　單例模式是23個“Gang Of Four”的設計模式之一，它描述瞭如何解決重覆出現的設計問題，以設計靈活且可復用的面向對象軟體，使對象的實現、更改、測試和重用更方便。

單例模式解決了以下問題：

如何確保類只有一個實例？
如何輕鬆地訪問類的唯一實例？
如何控制類的實例化？
如何限制類的實例數量？

單例模式是如何解決以上問題的呢？

隱藏類的構造函數。
定義一個返回類的唯一實例的公共靜態操作。

這個設計模式的關鍵點在於使類控制其自身的實例化。

隱藏類的構造函數（定義私有構造函數）來確保類不能從外部實例化。

使用靜態函數輕鬆訪問類實例（Singleton.getInstance()）。

三、實現

1、懶漢式單例

 1 using System.Threading;
 2 
 3     public class SingletonTest
 4     {
 5         private static SingletonTest instance = null;
 6 
 7         /// <summary>
 8         /// 隱藏類的構造函數（定義私有構造函數）來確保類不能從外部實例化
 9         /// </summary>
10         private SingletonTest()
11         {
12             Console.WriteLine("******單例類被實例化******");
13         }
14 
15         /// <summary>
16         /// 使用靜態函數輕鬆訪問類實例
17         /// </summary>
18         /// <returns><see cref="SingletonTest"/></returns>
19         public static SingletonTest GetInstance()
20         {
21             if (instance == null)
22             {
23                 instance = new SingletonTest();
24             }
25 
26             return instance;
27         }
28 
29         public void PrintSomething()
30         {
31             Console.WriteLine($"當前線程Id為{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
32             Console.WriteLine("Singleton Pattern Test");
33         }
34     }

上述代碼在單線程的情況下是能正常運行的，符合單例模式的定義。

但是，多線程的情況呢？

我們使用以下代碼進行測試

 1 // 多線程情況
 2             for (int i = 0; i < 10; i++)
 3             {
 4                 Task.Run(
 5                     () =>
 6                         {
 7                             SingletonTest singleton1 = SingletonTest.GetInstance();
 8                             singleton1.PrintSomething();
 9                         });
10             }

結果如下

不出所料，類SingletonTest被實例化了多次，不符合單例模式的要求，那如何解決這個問題呢？

既然是多線程引起的問題，那就要使用線程同步。我們在這裡使用鎖來實現。

 1     using System;
 2     using System.Threading;
 3 
 4     public class SingletonTest
 5     {
 6         private static SingletonTest instance = null;
 7 
 8         private static object lockObject = new object();
 9 
10         /// <summary>
11         ///  隱藏類的構造函數（定義私有構造函數）來確保類不能從外部實例化
12         /// </summary>
13         private SingletonTest()
14         {
15             Thread.Sleep(500);
16             Console.WriteLine("******單例類被實例化******");
17         }
18 
19         /// <summary>
20         /// 使用靜態函數輕鬆訪問類實例
21         /// </summary>
22         /// <returns><see cref="SingletonTest"/></returns>
23         public static SingletonTest GetInstance()
24         {
25             // 雙重檢查鎖定的方式實現單例模式
26             if (instance == null)
27             {
28                 lock (lockObject)
29                 {
30                     if (instance == null)
31                     {
32                         instance = new SingletonTest();
33                     }
34                 }
35             }
36 
37             return instance;
38         }
39 
40         public void PrintSomething()
41         {
42             Console.WriteLine($"當前線程Id為{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
43             Console.WriteLine("Singleton Pattern Test");
44         }
45     }

上述代碼在創建實例前，檢查了兩次實例是否為空，第一次判空是否有必要呢（上述代碼26行）？為什麼呢？我們想象這樣的一種場景，在已經初始化類實例的情況下，是否還需要獲取鎖？答案是不需要，所以加第一個判斷條件（上述代碼26行）。

再次運行測試代碼，結果如下：

從結果來看，類只被實例化了一次，解決了多線程下類被多次實例化的問題。但是指令重排序是否對此有影響？是否需要volatile關鍵字？歡迎大佬來解答一下。

2、餓漢式單例（推薦）

第一種方式有點繁瑣，可以簡單點嗎？如下

 1     using System;
 2     using System.Threading;
 3 
 4     public class SingletonTest2
 5     {
 6         // 靜態變數的方式實現單例模式
 7         private static readonly SingletonTest2 Instance = new SingletonTest2();
 8 
 9         private SingletonTest2()
10         {
11             Thread.Sleep(1000);
12             Console.WriteLine("******單例類被實例化******");
13         }
14 
15         public static SingletonTest2 GetInstance()
16         {
17             return Instance;
18         }
19 
20         public void PrintSomething()
21         {
22             Console.WriteLine($"當前線程Id為{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
23             Console.WriteLine("Singleton Pattern Test");
24         }
25     }

這種實現方式利用的是.NET中靜態關鍵字static的特性，使單例類在使用前被實例化，並且只實例化一次，這個由.NET框架保證。

這種方式存在問題，在沒有使用到類中的成員時候就創建實例了，能否在使用到類成員的時候才創建實例呢？如下圖

 1 using System;
 2     using System.Threading;
 3 
 4     public class SingletonTest2
 5     {
 6         // 靜態變數的方式實現單例模式
 7         private static readonly Lazy<SingletonTest2> Instance = new Lazy<SingletonTest2>(() => new SingletonTest2());
 8 
 9         private SingletonTest2()
10         {
11             Thread.Sleep(1000);
12             Console.WriteLine("******初始化單例模式實例*****");
13         }
14 
15         public static SingletonTest2 GetInstance()
16         {
17             return Instance.Value;
18         }
19 
20         public void PrintSomething()
21         {
22             Console.WriteLine($"當前線程Id為{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
23             Console.WriteLine("Singleton Pattern Test");
24         }
25     }

我們使用了Lazy關鍵字來延遲實例化。

四、例外

值得註意的是，反射會破壞單例模式，如下代碼，能直接調用類的私有構造函數，再次實例化。

1 // 反射破壞單例
2 var singletonInstance = System.Activator.CreateInstance(typeof(SingletonTest2), true);

怎麼避免呢？類的實例化都需要調用構造函數，那麼我們在構造函數中加入判斷標識即可。嘗試實例化第二次的時候，就會拋異常。

 1         private static bool isInstantiated;
 2 
 3         private SingletonTest2()
 4         {
 5             if (isInstantiated)
 6             {
 7                 throw new Exception("已經被實例化了，不能再次實例化");
 8             }
 9 
10             isInstantiated = true;
11             Thread.Sleep(1000);
12             Console.WriteLine("******單例類被實例化******");
13         }

五、應用

那麼實際應用中，哪些地方應該用單例模式呢？在這個類只應該存在一個對象的情況下使用。哪些地方用到了單例模式呢？

Windows任務管理器
HttpContext.Current

六、總結

俗話說，凡事都有兩面性。單例模式確保了類只有一個實例，也引入了其他問題：

單例模式中的唯一實例變數是使用static標記的，會常駐記憶體，不被GC回收，長期占用了記憶體
在多線程的情況下，使用的都是同一個實例，所以需要保證類中的成員都是線程安全，不然可能會導致數據混亂的情況

代碼下載：https://github.com/hzhhhbb/SingletonPattern

七、參考資料